CCD结构及工作原理.doc

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1、CCD结构及工作原理1 CCD的物理基础11.1 MOS电容的热平衡态特性21.2 MOS电容的非平衡态特性42 CCD的组成及其工作原理52.1 CCD的组成52.2 电荷转移沟道93 CCD传感器的类型103.1线型CCD103.2 面型CCD114几种国外CCD 图像传感器介绍114.1超高分辨力线阵CCD 图像传感器114.2帧转移面型CCD 图像传感器114.3 低光度CCD 图像传感器114.4 高分辨力大面阵CCD 图像传感器114.5 CCD485 固体全帧传感器114.6松下推出高速CCD 图像传感器124.7 ITO- CCD 图像传感器124.8 电子倍增CCD 图像传感

2、器124.9 紫外CCD 图像传感器121 CCD的物理基础CCD是由按照一定规律、紧密排列起来的金属绝缘半导体(MIS(Metal Insulator Semiconductor)电容阵列组成的，MIS电容结构是CCD的基本组成部分。CCD的工作原理是建立在MIS电容理论之上，依靠在MIS电容器上储存电荷载流子和转运电荷载流子。所以，在论文的开始部分首先分析一下MIS电容结构特性，这将有利于理解CCD的工作机理。图1 MIS电容结构MIS电容结构如图1所示，它十分类似于金属-绝缘体-金属MIM(Metal Insulator Metal)平行板电容器，但有许多不同之处。例如在MIM电容器的两

3、个金属板上施加电压时，充电电荷分布在紧靠绝缘体的原子层厚度内，其电压全部降落在绝缘体内。而对MIS电容器施加电压时，因半导体中的电荷密度远小于金属的电荷密度，所以在半导体一侧，其电荷分布在半导体表面一定厚度的层内，所加的电压一部分降落在绝缘层内，另一部分则将降落在半导体表面的空间电荷层中5。此时在半导体中有两种极性不同的载流子即电子和空穴，而且其浓度相差很大(如在硅中，多子和少子浓度往往相差倍)，因此，在MIS电容器上施加极性相反的电压时，半导体表面电荷层各处的电荷极性、分布和厚度大不相同。 (a) MIS 电容器 (b)电场随深度变化图图2 MIS电容器及电场(电势)随深度变化图如图2所示，

4、若给MIS电容器上施加正向电压咋(此时金属极板上带正电荷，半导体上带负电荷)，在它们之间的绝缘层上将建立起电场，但是因为半导体中的自由载流子密度远远小于金属的自由电子密度，所以半导体中的电荷就要扩展到相当厚的一层，即垂直电场的存在使半导体表面内形成具有相当厚度的空间电荷区，它起着对电场的屏蔽作用，使电场由界面开始逐渐减小，直到空间电荷区的边界，电场几乎被全部屏蔽。1.1 MOS电容的热平衡态特性可见光CCD是以硅为基体材料的，绝缘体就是硅的氧化物，所以常为MOS电容结构。从图3可以看出P型半导体表面处能带结构的变化情况。图中为导带底，为带顶，为费米能级，为半导体在本征导电情况的，它位于禁带中央

5、附近。 (a) 体内能带 (b)表面耗尽层 (c)表面积累层 (d)表面反型层图3 p型半导体表面处能带结构的变化如果表面的存在对电子运动没有任何影响的话。如图3(a)所示，水平能量线将一直延伸到表面，并与表面垂直。但实际上表面的存在不可能不影响到表面附近的电子运动和表面附近的能带结构，表面附近的电子能量也不可能与体内的能量完全一样，而且表面常常不可避免的有电荷吸附。在MOS结构中，半导体与绝缘体的交界面上也由于晶格结构不连续而出现局域化电子能级，因而带有一定电荷.在绝缘体内甚至在外表面也可能有电荷存在。所有这些电荷总的效果相当于是在半导体表面施加了一个电场，使得体内接近界面处的电子能带发生变

6、化，从而使表面层内的电荷重新分布。如果界面上以及氧化层内总的有效电荷为负电荷，那么它的电场将排斥电子而吸引空穴，这样接近表面的电子能量增大。如图3(c)所示，表面处能带向上弯曲，近表面处空穴浓度增大。也就是表面层内积累了相当数量的空穴和表面上的负电荷，所以表面层称做“积累层”。反之，如果界面上以及氧化层内总的有效电荷为正电荷，则近表面的电子能量降低，能带将向下弯曲。如图3(b)所示，空穴被电场驱向体内，在表面层内留下带负电的受主离子。能带弯曲的结果是使表面层剩下的负的受主离子及少量电子来中和表面上的正电荷。在这一表面层内，载流子都被电场驱开，通常称为“耗尽层”或“空间电荷层”，能带弯曲部分的深

7、度就是耗尽层厚度W。如果表面及氧化层内的正电荷密度更大(外加电压情况)，则能带在表面处的向下弯曲将更为严重，以致于在表面形成一层反型层。如图3(d)所示。从表面到与相交点的一薄层内变成n型导电，在n型层与体内P型导电区之间仍是耗尽层，两层总厚为W。通常以体内的为电势的零点，在表面上相对于的位置称为表面势。能带向上弯曲表面势为负，能带向下弯曲表面势为正。1.2 MOS电容的非平衡态特性接下来仍以P型半导体为例，若以外加电压的正极接到栅极，负极接到半导体的底板使半导体近界面处的能带下弯到进入反型层，当电压刚加到MOS电容器上的瞬间，在介电弛豫时间(约s)内，金属电极上即感应生成负电荷。半导体中只有

8、多子(空穴)能够跟得上这个变化，少子(电子)在介电弛豫时间内没有变化。在近界面层内留下了同样数目的,这时的能带结构如图4(a)所示，外加电压大部分降落在半导体的空间电荷层内，只有一小部分V降落在绝缘层上，这时近界面虽是强反型层，但电子尚没有产生，实质上是空的电子势阱。这是一个非平衡状态，在此之后，快态(即半导体与绝缘层之间的界面态)可能产生电子一空穴对，体内热激发而产生的电子一空穴对，其中电子在电场作用下进入势阱，空穴则被赶入体内，势阱中电子的填入，使此处能带变高，最后恢复到热平衡状态。如图4(b)所示。这时降落在绝缘层的电压增加，而降落在半导体空间电荷层的电压则降低。从非平衡态的建立到热平衡

9、所需要的时间(也可以说是热激发所产生的电子填满势阱所需的时间)称为存储时间，即 （1）式中，为耗尽区少子寿命，为本征载流子浓度，T的大小主要取决于硅晶体的完整性，完美硅单晶的T长达几秒到几十秒。CCD工作的主要基础是非平衡状态(图4(a)，在此状态下，势阱可用来储存信号电荷，也可以用来使信号电荷从一个势阱转移到相邻的另一个势阱中去。 (a)电压刚加上去的瞬间 (b)达到热平衡后图4 MOS电容在外加电压下表面附近的能带结构2 CCD的组成及其工作原理2.1 CCD的组成CCD主要由3个部分组成，即信号输入部分、信号电荷转移部分和信号输出部分。输入部分：输入部分的作用是把信号电荷引入到CCD的第

10、一个转移栅下的势阱中。引入的方式取决于实际的应用场合：在滤波、延迟线和存储器应用情况下是用电注入的方法将电荷提供给CCD；在摄像应用中是依靠光注入的方式引入。电注入机构是由一个输入二极管和一个或几个输入栅构成，它可以将信号电压(电流)转换为势阱中等效的电荷包，即给输入栅施加适当的电压，在其下半导体表面形成一个耗尽层。如果这时在紧靠输入栅的第一个转移栅上施以更高的电压，则在它下面便形成一个更深的耗尽层。这时输入栅下的耗尽层就相当于一个“通道”，受输入信号调制的信号电荷包就会从输入二极管经过“通道”流入第一个转移栅下所形成的耗尽层(势阱)中，于是输入栅电压消失，输入过程完成。也可将信号加在栅上，通

11、过信号调制，控制栅下通道进行注入。CCD的输入方式有场效应管MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Efect Transistor)输入、注入二极管输入、电势平衡法输入等。图5给出了MOSFET注入方式的结构和时钟波形。以此为基础，简述一下注入过程:注入部分是一个高掺杂的区，与衬底构成p结二极管。输入栅相当于MOSFET的控制栅，、分别为转移栅。当处于高电位时，其下的表面势比较大，所对应的势阱比较深。如图5(b)所示。如果这时注入二极管p结处于正偏，并在输入栅上施加大于开启电压的正栅压，则电子将通过输入栅下的沟道注入到下的势阱中。如图5(c)所示，当输入

12、采样结束时，如图5(d), 恢复到低电位，场效应输入管夹断，采样中止。以后每当处于高电位和也打开的一段时间内，电荷就相应的注入到下的势阱中。这种输入方式是非线性的，而且引起的噪声较大只作原理性的试验分析用，这属于CCD发展初期所采用的注入方式，在实际器件中很少采用这种注入方式。目前采用最多的是电势平衡法的改进形式，它具有线性好、噪声低等优点。图5 MOS FET 注入结构与时钟波形电注入电路是CCD器件不可缺少的电路即使是CCD摄像器件，信号电荷来自光注入，也需要电注入电路实现 “胖零”运行或检测。所以，所有CCD器件中都带有输入电路。光注入，这是摄像器件所必须采取的唯一的注入方法。这时输入二

13、极管由光敏元代替。固体图像器件的光敏元主要有：光电导体、MOS电容器 (MOS二极管)、pn结光电二极管和肖特基势垒光电二极管。摄像时光照射到光敏面上，光子被光敏元吸收，产生电子一空穴对，多数载流子进入耗尽区以外的衬底，然后通过接地消失，少数载流子便被收集到势阱中成为信号电荷7。当输入栅开启后，第一个转移栅上加以时钟电压时，这些代表光信号的少数载流子就会进入到转移栅下的势阱中，完成光注入过程。在线阵CCD图像传感器中，光敏元常为由“S”形沟阻隔离，呈叉指状。在帧转移型面阵CCD图像传感器中，光敏元排列在一起成为成像区，它相当是m个光敏元为n的线阵CCD图像传感器并排组成，即成像区为mn个光敏元

14、。在内行转移型面阵CCD中，光敏元和移位寄存器各单元之间一一对应，隔行排列。信号转移部分：信号转移部分是由一串紧密排列的MOS电容器构成，根据电荷总是要向最小位能方向转移的原理工作。转移时，只要转移前方电极上的电压高、电极下的势阱深，电荷就会不断的向前运动。通常是将重复频率相同、波形相同并且彼此之间有固定相位关系的多相时钟脉冲分组依次加在CCD转移部分的电极上，使电极上的电压按一定规律变化，从而在半导体表面形成一系列分布不对称的势阱。图6给出了三相时钟驱动的CCD结构和时钟脉冲。图6 CCD结构示意图及三相时钟由图6可知，在信号电荷包运动的前方总是有一个较深的势阱处于等待状态，于是电荷包便可沿

15、着势阱的移动方向向前定向作连续运动。此外，还有一种是利用电极不对称方法来实现势阱分布不对称，促使电荷包向前运动。势阱中电荷的容量由势阱的深浅决定，电荷在势阱中存储的时间受限于势阱的热弛豫时间，它必须远小于热弛豫时间，所以CCD是在非平衡状态工作的器件。输出部分：输出部分是由一个输出二极管、输出栅和一个输出耦合电路组成，其作用是将CCD最后一个转移栅下势阱中的信号电荷引出，并检测出电荷包所输出的信息。最简单的输出电路是通过二极管输出，输出栅采用直流偏置，输出二极管处于反向偏置状态，到达最后一个转移栅下的电荷包，通过输出栅下 “通道”，到达反向偏置的二极管并检出，从而产生一个尖峰波形，此波形受偏置

16、电阻R、寄生电容C以及电荷祸合器件工作频率的影响。图7示出了这种输出电路及波形。这种电路结构简单，但是噪声较大，很少采用。现在多采用浮置栅输出技术，它包括两个MOSFET，并兼有输出检测和前置放大的作用。如图8所示。图7 二极管输出电路及输出波形图8 FDA读出方法的等效电路浮置扩散放大器FDA(FloatD ifusionA mplifier)的读出方法是一种最常用的CCD电荷输出方法。它可实现信号电荷与电压之间的转换，具有大的信号输出幅度以及良好的线性和较低的输出阻抗。CCD输出电路的设计和制造与输入电路一样是极为重要的，它们决定了整个CCD器件的噪声幅值。由于CCD是低噪声器件，因此选择

17、和设计好CCD输入和输出电路，对于提高器件的信噪比，增大动态范围有着决定性的影响。2.2 电荷转移沟道CCD的信号电荷转移沟道有两类:表面沟道电荷耦合器件SCCD (Surface Charge Coupled Device)和体内沟道电荷祸合器件BCCD(Body Charge Coupled Device)。如前所述，信号电荷包转移和存储的势阱是在界面处Si表面移动的，而半导体硅表面处晶格周期性中断，在禁带中将存在着密度很高的局部能级。虽然经过一定的化学处理后的Si表面总存在着一层极薄的膜，使得Si和界面上的表面态数目少于硅自由表面上的表面态数目，甚至可以降到数量级，但是无法彻底消除。界面

18、态的存在将和信号电荷相互作用，对转移特性影响很大。为了克服界面态对转移沟道中信号电荷转移的影响，可以通过外延技术或离子注入技术等，在氧化层下的半导体表面附近设置一层浅n层，将转移沟道由半导体表面移到远离界面的体内，这就是所谓的BCCD。对P型衬底而言，工作时除了在电极上加上时钟脉冲电压外，还必须通过区在n型薄层内加足够高的正偏压，使之与衬底构成的pn结处于反向偏压状态，并且使浅n型薄层完全耗尽达到“穿通”状态。这时氧化层下的耗尽区和由浅n层与衬底所形成的pn结伴随产生的耗尽区融合在一起，金属电极下的电位分布便与pn结偏压的大小无关。工作时只要时钟电压小于pn结偏压，电子位能最低处便向体内移动。

19、如图9所示。图9 时，BCCD中电场和电势分布两种转移沟道CCD各有优缺点，在应用中不能完全相互代替。SCCD最大的优点是制作工艺简单、信号处理容量大，在一些运行速度要求不高的场合具有很大的适应性。BCCD最大的优点是噪声低，这种低噪声和高传输效率相结合，可使BCCD成为低照度下较为理想的摄像器件，此时BCCD信号容f小将不是主要矛盾.所以，这两种结构器件都在高速发展之中，应用领域都在不断扩大。3 CCD传感器的类型3.1线型CCD线型CCD 图像传感器由一列MOS 光敏单元和一列CCD 移位寄存器构成, 分为单行结构和双行结构, 线型CCD 图像传感器可直接接收一维光信息, 不能直接将二维图

20、像转变为视频信号输出, 必须用扫描的方法得到整个二维图像的视频信号。线型CCD 图像传感器主要用于尺寸测试和定位、传真和光学文字识别技术等方面。3.2 面型CCD按一定的方式将一维线型光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列, 即可以构成面型CCD 图像传感器。面型CCD 图像传感器有3 种基本类型: 线转移型、帧转移型和行间转移型。面型CCD 图像传感器主要用于摄像、存储、数码相机等感光器件。4几种国外CCD 图像传感器介绍4.1超高分辨力线阵CCD 图像传感器该CCD 图像传感器是由美国柯达公司研制, 成功用于高端扫描系统。该器件可应用于高清晰度尺寸测量定位、传真和光学文字识别技术等方面。4.2

21、帧转移面型CCD 图像传感器由Philips 公司推出用于数码相机的彩色帧转移CCD( FT- CCD) , 型号为FXA1013, 分辨力为2 0001 600, 芯片尺寸为9.49 mm8.67 mm, 像素尺寸为4.1 m4.1 m。4.3 低光度CCD 图像传感器 低光度图像传感器CCD60 采用读出寄存器和输出放大器间的增益寄存器, 增殖光电子多达1 000倍。采用背面减薄工艺, 分辨力为128128 像素, 量子效率大于90%。CCD60 工作在反转模式以抑制暗电流, 工作速度高达1000 f/s( 帧/秒) 。传感器的光谱范围为4001 060 nm,填充系数为100%。在电荷域

22、的片上增益能通过控制工作电压来调整, 像素尺寸为24 m24 m。4.4 高分辨力大面阵CCD 图像传感器Farchild Imaging 公司的CCD595 型9 2169216像素大面阵全帧转移CCD 图像传感器, 其像素尺寸为8.75m8.75m, 成像面积为80.64 mm80.64 mm。该CCD 图像传感器可应用于摄像和高分辨力数码相机。4.5 CCD485 固体全帧传感器Farchild Imaging 公司的一种固体全帧转移CCD图像传感器, 型号为CCD485, 计划用于科学、工业、商业的高清晰度数字成像应用。其填充系数接近100%, 特点是成像区采用埋沟多针相工作模式。成像

23、区分为4个象限,采用三相时钟结构, 每一象限都可单独时钟驱动。该CCD的像素数为40964097，像素尺寸为15m15m, 有效像素数为40804080，读出噪声低，动态范围宽。4.6松下推出高速CCD 图像传感器松下推出的MN39192FH 是一种1330万像素1/4SXGA CCD 图像传感器, 通过辅助片上的滤色镜和光栅实现了速度高、灵敏度高等特性, 推动了小型高质量数码视频摄像机的发展。该CCD 器件具有信噪比高、动态范围宽等特点, 像素尺寸为2.8m2.8m。4.7 ITO- CCD 图像传感器大多数CCD图像传感器的电极材料均采用多晶硅薄膜，而多晶硅对蓝光透射性很差，于是Kodak

24、发明了氧化铟锡( ITO)电极。ITO- CCD对蓝光是全透明的, 敏锐度更高，透光性比一般CCD提高了20%，ITO- CCD比传统CCD的蓝光透过率提高了2.5 倍，同时大幅度降低了噪声干扰，使图像质量更好，为专业数码相机提供了高清晰度、高质量的图像。至今Kodak公司已研制出200万(1 7361160) 像素、600万(30322008)像素和1600万(40004000)像素ITO- CCD图像传感器，KAF- 1602LE是Kodak公司推出的ITO- CCD型号之一。4.8 电子倍增CCD 图像传感器Andor- technology 公司研发出了128128, 512512,5

25、76288, 726902, 1 8152 256, 1 024128，2 0482048像素的电子倍增CCD(Electron Multiplying CCD, EMCCD)。这种帧转移EMCCD的结构包括先进的增益移位寄存器、成像区、存储区、移位寄存器和输出放大器，其量子效率高，灵敏度高，信噪比高。这些成像测量系统主要用于弱光检测、生命科学中的DNA 标记、X 射线成像与光谱检测、生物和医学成像等。4.9 紫外CCD 图像传感器日本滨松公司开发的新型紫外固体摄像器件薄型背照式电荷耦合器件(BTCCD)，采用特殊的制造工艺和锁相技术，具有噪声低、灵敏度高、动态范围大等优点。BTCCD有很高的

26、紫外光灵敏度，紫外波段的量子效率超过40%，可见光部分超过80%，甚至达到90%左右，不仅可工作于紫外光, 也可工作于可见光。目前Sarnoff 研究中心的紫外研究工作有两个方向:一是研制线阵和隔行转移列阵格式的CMOS/CCD, 现已证明, 这种方法所产生的探测器随着时间和表面电荷的变化能保持高度的稳定性; 二是为海洋研究室研究一种薄型背面照射技术, 模拟证明, 这种技术可以在深真空紫外波段(10nm)获30%以上的稳定量子效率。在真空紫外以下，硅CCD可用来在远紫外( 10100 nm) 和软X射线( 0.110 nm) 波段内成像。美国COOK公司向市场提供了Dicam- pro型增强式制冷型CCD 相机, 它的曝光时间仅3 ns, 其工作波段位于近红外- 紫外波段。这种相机可用于荧光分析、化学荧光分析、光谱分析、弹道分析、生物荧光分析、高速流体分析、电源现象分析以及PIV 成像等系统。可用光缆传输从相机到PCI 接口板的串行数据。